WinmostarTM チュートリアル
DCDFTBMD
分子動力学計算V9.3.0株式会社クロスアビリティ
2019年6月7日

概要
本チュートリアルでは、水中をOH-イオンがホッピング拡散する様子を計算する。
初期状態は、31個のH2O分子と1個のOH-イオンが存在する状態する。
LAMMPSを用いて平衡化するため、MDオプションが必要となる。
計算手順は以下の通りである。

LAMMPS（古典MD）
エネルギー極小化

LAMMPS（古典MD）
NVT一定計算DCDFTBMD
NVT一定計算DCDFTBMD
NVE一定計算結果の解析

補足：• 本チュートリアルは、短いステップ数の手軽な計算において、各種操作手順を一通り習得するという目的で作られている。
• 最後の計算をNVE一定にしている理由は、エネルギーの保存を確認するためである。例えば、動径分布関数や自己拡散係数をNVT一定計算から算出しても多くの場合は問題ない。
• Grotthuss機構による拡散の寄与は、本チュートリアルの手順とは別に算出されるべきものである。
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ソルバの入手方法
本チュートリアルを実施するには別途DCDFTBMDのソルバ本体を入手する必要があります。
・アカデミック版は早稲田大学中井研究室より、無償で登録できます。
DCDFTBMD登録サイト
http://www.chem.waseda.ac.jp/dcdftbmd/
・商用版は以下のURLより購入可能です。
Winmostarウェブサイト
https://winmostar.com/

Winmostarのライセンスについて
商用版ではソルバ本体及びWinmostarのDCDFTBMDライセンスを入手できます。本ライセンスでは、Winmostarを用いてDCDFTBMDのインプットの入出力、リモートサーバへのジョブ投入によるソルバの実行および計算結果の読込が可能です。
またWinmostarの学生版ライセンスでは、DCDFTBMDのインプットの入出力および計算結果の読込が可能です（ジョブ投入機能は使用できません）。ソルバ本体に関しては上記登録サイトより申請して下さい。
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パラメータの入手方法
http://www.dftb.org/parameters/download/mio/mio-1-1-cc/ のDownloadに置かれているmio-1-1.tar.xz を保存し、適当なフォルダにて解凍してください。
解凍には、例えば、7-zipとLhaplusなどを使用します。この場合は、7-zipでxzを解凍した後、続けてLhaplusでtarを解凍します。

その後、生成されたmio-1-1フォルダの中にskfファイルが含まれていることを確認してください。

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I.

系の作成

新規作成の状態で、編集操作で適用される元素を選択からO 8を選択し、元素を変更
ボタンをクリックすると、OHが作成される。

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I.

系の作成

MD｜電荷を割り当て｜Acpypeを使用をクリックし、Assign charges by acpypeウィンドウ下のTotal chargeの値を「-1」に変更し、Executeボタンを押す。

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I.

系の作成

「算出された電荷を...」と聞かれたら「いいえ」をクリックする。分子表示エリア下に「Charges Avail: User」となっていることを確認する。

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I.

系の作成

（溶媒を配置/系を作成）ボタンをクリックする。Add Displayed Moleculeボタンを押し、Add moleculesダイアログでOKボタンを押す。次に、Add Waterボタンを押し、Add moleculesダイアログでEnter # of moleculesの値を「31」に変更しOKボタンを押す。

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I.

系の作成

Set Densityの値を「1.0」に変更し、Buildボタンをおす。「系の作成に成功しました」と表示され、OKボタンを押すと、作成された系が分子表示エリアに表示される。

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II.

古典MD計算（エネルギー極小化）

ソルバを選択メニューからLAMMPSを選択し、キーワード設定ボタンをクリックする。
まずLAMMPS Setupウィンドウ左下のResetボタンをクリックし、はいをクリックする。
次に、Force FieldタブのUser user-defined chargesにチェックを入れ、Runボタンをクリックする。

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II.

古典MD計算（エネルギー極小化）

ファイル名を「h2o_oh_32.data」として保存すると、計算が開始される。計算が終了
しコンソールウィンドウが閉じた後、エネルギー変化ボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを開くと、Energy Plotウィンドウが開く。Energy TermsのPotEngにチェックを入れ、Drawボタンを押すとポテンシャルエネルギーの変化が表示される。ポテンシャルエネルギーが低下する様子を確認したあと、Closeボタンを押す。

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III.

古典MD計算（NVT一定計算）

再びキーワード設定ボタンをクリックする。Extending Simulationにチェックを入れ、PresetにNVT (fast)を選択し、Runボタンを押す。表示されたダイアログではいをクリックすると再び計算が開始される。

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III.

古典MD計算（NVT一定計算）

計算終了後、アニメーションボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを2回開くとAnimationウィンドウが出現する。
（Go to last frame）ボタンをクリックすると、最終フレームが分子表示エリアに出現する。念のため、この状態でファイル｜別名を付けて保存メニューをクリックし、「h2o_oh_32.mol2」として保存する。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）ソルバを選択 メニューからDCDFTBMDを選択する。次に、キーワード設定ボタンをクリックする。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）（このページの操作は2回目以降不要である）
1. 「パラメータファイル用のディレクトリが空です...」と聞かれたらはいをクリックする。
聞かれなかった場合はOpen Directory for Parameter Setボタンを押す。
2. Winmostarのインストールフォルダ以下にDFTBParamフォルダが生成され、エクスプローラで開かれるので、そこに冒頭で解凍したmio-1-1フォルダをコピーする。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）（このページの操作は2回目以降不要である）
1. WinmostarのDCDFTBMD SetupウィンドウでReload Parameter Setボタンを押す。
2. 「NOTE: Loaded ** parameters.」と表示されたらOKボタンを押す。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. DCDFTBMD SetupウィンドウのBasicタブにでParameter Setにmio-1-1を、Chargeに「-1」を指定する。
2. Executableには使用するバイナリの種類を選択する。2019年5月時点の最新バイナリでは、シリアル実行の場合はdftb_serial.00.x、並列実行の場合はdftb_mpiomp_mpich.00.xなどを選択する。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

並列実行の際、OpenMPのスレッド並列数は# of Threadsに入力する。MPIを使う場
合はUse MPIにチェックを入れ、その横にMPIのプロセス数を入力する。ただし、DC法を使わない場合は、MPIを使用できないため、OpenMPによるスレッド並列を推奨する。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. 次に、AdvanceタブにてTHIRDFULLとDAMPXHにチェックを入れる。この設定によりDFTB3レベルで計算される。
2. もし系が十分大きい場合は、DCにチェックを入れ、例えばBUFRADに「6」、DELTARに「3」と入力すると、バッファを6Åにし、3x3x3Åのグリッドに系を分割したDC法が適用される。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. 次に、MDタブにてMDにチェックを入れる。
2. NSTEPを「1000」に、DELTATを「0.5d-15」に、Ensembleを「NVT」に、NVTTYPEを「1: Velocity scaling」に、PRINTを「10」に変更する。
3. CALCPRESSUREにチェックを入れる。
4. OKボタンを押す。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. ツールボタンのまたはツール｜リモートジョブ投入をクリックする。
2. ユーザガイドの内容に従いプロファイルの設定を行い、Solverにはdcdftbmdを選択する。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. 実行時のMPI等の設定をカスタマイズする場合は、Use Templateをクリックする。
2. Add Templateダイアログが開いたらテンプレート名を入力しOKを押す。
3. テンプレートスクリプトが開かれたら、そこでMPICOMMの編集やmoduleコマンドの追加、パスの追加等を行う。詳細はユーザガイドを参照のこと。
4. 編集後、スクリプトを保存し閉じる。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. Send &Submitボタンを押してジョブを開始する。ファイル名はh2o_oh_32.dciとする。
2. tailボタンを押し、リモートサーバ上の実行中のログファイルの末尾を表示することで、計算が異常終了していないことを確認する。
3. Get & Open Log Fileの横の▼をクリックし、Plot Energyをクリックすると、計算途中でも各種エネルギーの時間発展をグラフ化することができる（後述）。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

1. tailボタンを押し、「Execution of DCDFTBMD terminated normally ...」と表示されていたら、DCDFTBMDが正常に終了したと判断できる
2. その後、qstat -aボタン等で、キューも終了したことを確認したら、Get All Files
ボタンを押す。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

Submit Remote Jobウィンドウを閉じずにメインウィンドウに戻り、エネルギー変化ボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを開くとEnergy Plotウィンドウが開く。Energy TermsにてTEMPERATUREにチェックを入れ、Drawボタンをクリックすると、温度の時間発展がグラフ化される。温度が298K前後で揺らいでいることを確認したらCloseボタンを押す。

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IV.

DCDFTBMD計算（NVT一定計算）

続けて、メインウィンドウのアニメーションボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを2回開くとAnimationウィンドウが開く。
(Play/pause)ボタンを押し分子が動く様子を確認する。確認後Closeボタンを押しAnimationウィンドウを閉じる。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

再びメインウィンドウのキーワード設定ボタンをクリックする。Extending
Simulationにチェックを入れ、MDタブのNSTEPを「5000」に、EnsembleをNVEに切り替える。その後、OKボタンを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

Submit Remote Jobウィンドウに戻り（ウィンドウが隠れた場合はウィンドウメニューから探す）、Send & Submitボタンを押す。「継続ジョブを開始しますか？」と聞かれ、はいをクリックすると、ジョブが開始される。NVT一定計算の時と同様に進捗を確認し、終了後Get All Filesボタンをクリックする。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

メインウィンドウに戻り、エネルギー変化ボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを開くとEnergy Plotウィンドウが開く。Energy TermsにてTOTAL MDENERGYにチェックを入れ、Drawボタンをクリックすると、全エネルギー（FinalSCC-DFTB EnergyとKINETIC ENERGYの和）の時間発展がグラフ化される。ここで全エネルギーがドリフトせず保存していることを確認し、Closeボタンを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

続けて、メインウィンドウのアニメーションボタンをクリックする。デフォルトで選ばれるファイルを2回開くとAnimationウィンドウが開く。そして、AnimationウィンドウのTools｜Radial Distribution Functionメニューをクリックする。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）生成される中間ファイル（gro形式）のファイル名を聞かれるので、デフォルトの状態で保存をクリックする。「Enter number of steps between each frames」というダイアログでは、DCDFTBMDのPRINTキーワードの数を入力し（ここでは「10」）、OKを押す。「Enter time step」というダイアログでは同様にDELTATキーワードの値（単位は秒）をピコ秒単位に直してから入力し（ここでは「0.0005」）、OKを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

Radial Distribution Functionウィンドウが開き、まずは自動で全原子間の動径分布関数が表示される。次に、酸素原子間の動径分布関数を求めるために、CreateGroupボタンをクリックする。そして、デフォルトで選ばれるファイルを開く。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

Create Groupウィンドウが表示されたら、Extracted Atom NamesにてOにチェックを入れ、New Group Nameに「Oxygen」と入力しCreateボタンを押す。
「Successfully created a new group」と表示されたらOKを押す。その後Closeボタンを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

再びRadial Distribution Functionウィンドウに戻りReference GroupとTarget
Groupに3: Oxygenを選択し、ウィンドウ右下のDrawボタンを押すと、酸素-酸素原子間の動径分布関数が表示される。確認後Closeボタンを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

再びAnimationウィンドウに戻りTools｜Mean Square Displacement /Diffusion Constantメニューをクリックする。保存ダイアログでは先ほどと同様にデフォルト設定で保存を押す。「traject_ani.groを上書きしますか？」と聞かれたらはいを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

Mean Square Displacementウィンドウが開き、まずは自動で全原子（TargetGroup: System）の平均二乗変位のグラフと、その下に自己拡散係数が表示される。
次に、酸素原子の平均二乗変位・自己拡散係数を求めるために、Create Groupボタンをクリックする。そして、デフォルトで選ばれるファイルを開く。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

Create Groupウィンドウが表示されたら、Extracted Atom NamesにてOにチェックを入れ、New Group Nameに「Oxygen」と入力しCreateボタンを押す。
「Successfully created a new group」と表示されたらOKを押す。その後Closeボタンを押す。

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V.

DCDFTBMD計算（NVE一定計算）

再びMean Square Displacementウィンドウに戻りTarget Groupに3: Oxygenを選択し、ウィンドウ右下のDrawボタンを押すと、酸素原子の平均二乗変位・自己拡散係数が表示される。確認後Closeボタンを押す。

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